Análisis del mezclado en un reactor de polimerización de etileno

Abstract

Se estudió el efecto de cambios en el volumen del reactor y en la intensidad de mezcla entre iniciador y monómero en algunas propiedades asociadas con el polietileno de baja densidad. Para esto se llevaron a cabo simulaciones numéricas del reactor autoclave que opera a 1257 atm y una temperatura inicial de 323.15 K. Se desarrolló un modelo de flujo pistón (PFR) para el reactor autoclave con un mecanismo de polimerización simple que permitió predecir algunas propiedades del polímero, entre ellas la polidispersidad. El modelo PRF se verificó con los resultados reportados en la literatura. También se desarrolló un modelo del reactor autoclave mediante dinámica de fluidos computacional (CFD). En una primera simulación CFD se analizó la reacción de descomposición del iniciador y la reacción de iniciación del polímero, y se encontró que a altas temperaturas, el iniciador se descompone rápidamente, produciendo una molécula activa de iniciador la cual rápidamente se mezcla con el monómero produciendo el primer radical polimérico. Una siguiente simulación CFD estudió el efecto de variaciones en el volumen del reactor (uno de 0.411 m^3 y otro de 0.384 m^3). Además se varió la velocidad de agitación (entre 350 RPM y 700 RPM). Se utilizó la técnica de múltiples marcos de referencia (MRF) para simular el movimiento de las aspas. El dominio computacional se discretizó con mallas del orden de 418000 y 460000 celdas hexaédricas para el reactor de menor y mayor volumen respectivamente. La mezcla en el reactor autoclave se caracterizó mediante la distribución de tiempos de residencia (DTR) a partir de las simulaciones CFD en estado transitorio. Se encontró que el comportamiento del reactor tiene características tanto de un reactor PFR y un CSTR. Para un modelo de n-tanques en serie, se encontró que el reactor autoclave se puede modelar mediante 4 o 5 reactores CSTR en serie. Se realizó un análisis variando el tiempo de residencia promedio tau_m), en ±11.5% para el reactor tubular con el modelo PFR el cual muestra importante variaciones en el perfil de polidispersidad. Se encontró que el perfil de la polidispersidad es menor para el reactor de menor volumen y que la varianza de la DTR es mayor para el reactor de mayor volumen. Estos dos problemas en el mezclado tienden a deteriorar la calidad del polímero.

Abstract: This study sought to understand how some properties of low density polyethylene are affected by changes in the volume of the reactor and of mixture between initiator and monomer in an autoclave reactor. For this purpose, different numerical simulations were performed of the autoclave reactor that operates at 1257 atm and an initial temperature of 323.15 K. A model of a plug flow reactor (PFR) was developed for the polymerization autoclave reactor with a simple mechanism able to predict some polymer properties including polydispersity. The PRF model was verified with the results reported in the literature. To understand mixing, a computational fluid dynamics model was also developed. An initial CFD simulation analyzed the initiator decomposition reaction and the initiation reaction of the polymer. The CFD simulation showed that the initiator decomposes rapidly, producing an active molecule of initiator that is rapidly mixed with the monomer to produce the first polymeric radical. A second CFD simulation studied the effect of variations in the volume of the reactor (one of 0411 m3 and another of 0.384 m3) and stirring rate (between 350 RPM and 700 RPM). The multiple reference frames (MRF) technique was used to simulate the movement of the blades. The computational domain was discretized with meshes of about 418000 and 460000 hexaedral cells the small and large reactor volume respectively. The mixture in the autoclave reactor was characterized by the residence time distribution (RTD) from transients CFD simulations suggested that the reactor behavior has features of both CSTR and a PFR. For a model of n-tanks in series, it was found that the autoclave reactor can be modeled by 4 or 5 CSTR reactors in series. Varying the mean residence time (τm) in±11.5% in the PFR model shows that the polydispersity profile has important variations along the reactor. It was found that the polydispersity profile is lower for the reactor of small volume and the variance of the DTR is greater for the reactor of large volume. These two problems in mixing tend to deteriorate polymer quality.